《礦物加工數(shù)學(xué)模型》礦物加工計(jì)算流體力學(xué)模型課件

第10章礦物加工計(jì)算流體力學(xué)模型10.1礦物加工計(jì)算流體力學(xué)模擬的特點(diǎn) 10.2計(jì)算流體力學(xué)原理 10.3采用軟件進(jìn)行礦物加工CFD模擬的方法10.4重介質(zhì)旋流器的CFD模擬10.5浮選柱的CFD模擬 10.6粉體表面改性機(jī)的CFD模擬數(shù)值模擬：以計(jì)算機(jī)為工具，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像處理等方法，對(duì)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究和分析的過(guò)程。計(jì)算流體力學(xué)理論和技術(shù)，是用于流動(dòng)、傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法，伴隨計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)等的飛速發(fā)展和商用軟件的成功開(kāi)發(fā)，已廣泛應(yīng)用到航空航天、水利、海洋、環(huán)境、食品、流體機(jī)械與流體工程等多種工程和科學(xué)領(lǐng)域。礦物加工過(guò)程中包含大量的流動(dòng)過(guò)程。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)近年已成為礦物加工處理過(guò)程的主要研究方法和技術(shù)。礦物加工計(jì)算流體力學(xué)模型：傾向歸類(lèi)于一種特殊的理論模型，同時(shí)又是一種計(jì)算模型，穩(wěn)態(tài)問(wèn)題或非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題都能處理。10.1礦物加工計(jì)算流體力學(xué)模擬的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可克服實(shí)驗(yàn)受設(shè)備模型尺寸、環(huán)境擾動(dòng)、實(shí)驗(yàn)及施工人員人身安全和實(shí)際測(cè)量精度等的限制，緩解實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入、人力/物力耗費(fèi)等困難，縮短研究周期，節(jié)約費(fèi)用。同時(shí)，CFD模擬結(jié)果是直觀的或者是動(dòng)態(tài)的，有助于更加深入的了解和把握被研究對(duì)象?？煞磸?fù)進(jìn)行各種不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖拗频臄?shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)；還可對(duì)特殊尺寸設(shè)備，以及高溫、易燃、含毒等難以實(shí)施的理想條件工況進(jìn)行模擬。局限

不能為問(wèn)題提供解析表達(dá)式；流動(dòng)參數(shù)有賴(lài)于借由原體觀測(cè)或物理模型實(shí)驗(yàn)來(lái)提供；建模過(guò)程，在很大程度上依賴(lài)于研發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)和技巧；數(shù)值處理方法使用不當(dāng)時(shí)，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不真實(shí)；自然，還需要較高的計(jì)算機(jī)硬軟件配置。10.2計(jì)算流體力學(xué)原理10.2.1計(jì)算流體力學(xué)的工作步驟計(jì)算流體力學(xué)的基本思想：把在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用個(gè)數(shù)有限的一系列離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，再通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解這些代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似。實(shí)施計(jì)算流體力學(xué)的大致步驟：1)建立數(shù)學(xué)模型。具體指建立反映礦物加工問(wèn)題各個(gè)量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件。2)建立由控制方程表示的數(shù)學(xué)模型的高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。3)編制程序并運(yùn)行計(jì)算。4)顯示計(jì)算結(jié)果。CFD計(jì)算結(jié)果一般通過(guò)圖、表等方式顯示，并可根據(jù)需要對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多種角度的處理和分析?，F(xiàn)在，在計(jì)算機(jī)中完成CFD數(shù)值模擬工作，需要較高的編程技術(shù)和算法理論，所以才會(huì)出現(xiàn)諸多的商用CFD軟件。10.2計(jì)算流體力學(xué)原理10.2.2流體流動(dòng)的控制方程流體力學(xué)控制方程是基本守恒定律的數(shù)學(xué)描述。包括：(1)質(zhì)量守恒方程常稱(chēng)作連續(xù)方程

(2)動(dòng)量守恒方程

簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)量方程，也常稱(chēng)作運(yùn)動(dòng)方程，還稱(chēng)為Navier-Stokes方程。

(3)能量守恒方程

簡(jiǎn)稱(chēng)為能量方程。

(4)組分質(zhì)量守恒方程

簡(jiǎn)稱(chēng)組分方程。在某些情況下，又稱(chēng)為濃度傳輸方程或濃度方程。所有控制方程都可經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理化為通式形式。這樣，CFD程序就可用同一程序?qū)Ω骺刂品匠踢M(jìn)行求解。10.2計(jì)算流體力學(xué)原理10.2.2流體流動(dòng)的控制方程實(shí)際工程問(wèn)題中的湍流流動(dòng)，通用控制方程式的求解在目前技術(shù)條件下是不可能的。工程中廣為采用的方法是：對(duì)瞬態(tài)的Navier-Stokes方程做時(shí)間平均處理（得到Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程，簡(jiǎn)稱(chēng)RANS），同時(shí)補(bǔ)充反映湍流特性的湍流方程（如，湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程等），并將附加的湍流特性方程也歸入通用形式的控制方程。目前，湍流模型方程只能以大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)Reynolds應(yīng)力所作的處理方式的不同，常用的湍流模型有Reynolds應(yīng)力模型和渦粘模型兩大類(lèi)。好消息是：商用CFD軟件已能將湍流模型的較成熟研究成果囊括在內(nèi)。10.2計(jì)算流體力學(xué)原理10.2.3控制方程的離散網(wǎng)格化：將計(jì)算域劃分為有限離散點(diǎn)集的過(guò)程。

網(wǎng)格化的結(jié)果，得到網(wǎng)格模型。離散化方法有：有限差分法、有限元法和有限體積法等不同類(lèi)型。有限體積法的優(yōu)勢(shì)：導(dǎo)出的離散方程可以保證守恒特性，且離散方程系數(shù)的物理意義明顯，計(jì)算量相對(duì)較小、計(jì)算效率高。有限體積法離散過(guò)程：把待計(jì)算區(qū)域劃分為多個(gè)互不重疊的子區(qū)域，即計(jì)算網(wǎng)格（grid），然后，確定每個(gè)子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置和該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體。10.2計(jì)算流體力學(xué)原理10.2.4計(jì)算流體力學(xué)的軟件結(jié)構(gòu)前處理器求解器后處理器10.3采用軟件進(jìn)行礦物加工CFD模擬的方法10.3.1準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作相當(dāng)于：確定計(jì)算流體力學(xué)模型的建模目的和求解的具體模型范圍、類(lèi)型、計(jì)算過(guò)程。需要考慮以下幾個(gè)因素：1)CFD計(jì)算目標(biāo)。2)計(jì)算模型。3)物理模型。4)求解過(guò)程。10.3采用軟件進(jìn)行礦物加工CFD模擬的方法10.3.2CFD模擬的求解步驟(1)創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型。(2)啟動(dòng)FLUENT軟件，導(dǎo)入網(wǎng)格模型。(3)檢查網(wǎng)格模型。(4)選擇求解器及運(yùn)行環(huán)境。(5)確定計(jì)算模型。(6)設(shè)置材料特性。(7)設(shè)置邊界條件。(8)調(diào)整用于控制求解的參數(shù)并初始化流場(chǎng)。(9)運(yùn)行求解。(10)后處理。(11)判定結(jié)果是否合乎要求。10.3采用軟件進(jìn)行礦物加工CFD模擬的方法10.3.3攪拌槽CFD模擬以攪拌槽模擬為例，說(shuō)明如何采用FLUENT進(jìn)行礦物加工CFD模擬。攪拌器攪拌20s后槽體內(nèi)沙粒分布的等值圖(體積分?jǐn)?shù))

10.4重介質(zhì)旋流器的CFD模擬主要參照煤炭科學(xué)研究總院唐山分院的研究，介紹二產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的模擬；主要參照中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）的研究，介紹三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的模擬。10.4.1由旋流器的CFD模擬篩選湍流模型10.4.2DSM型重介質(zhì)旋流器的CFD模擬10.4.3DWP型重介質(zhì)旋流器的CFD模擬10.4.4三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的CFD模擬10.5浮選柱的CFD模擬浮選柱種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)多樣，體現(xiàn)在柱體高度、充氣方式、礦化方式等很多方面。其